化工工藝設計基本要素

（適合初學者）

1. 概述

1.1 要建設一個化工廠，必須具有一批化工工藝專業技術人員，這批化工工藝專業技術人員必須具備下列基本條件。

①掌握化工基本理論：如化工熱力學、流體力學、傳熱、傳質、化學反應動力學（化學反應工程）。

②掌握化工工藝設計方法和技能

工藝設計的任務、設計范圍、工藝設計人員職責。

化工基本理論的應用（化工設計方法）。

工藝設計基本程序（工藝設計技能）。

工藝設計的成品文件（內容及深度）。

工藝設計的質量保證程序。

③熟悉環保、安全、消防等方面的法規，如：

HG20667 化工建設項目環境保護設計規定

SH3024 石油化工企業環境保護設計規范

HG20571 化工企業安全衛生設計規定

SH3047 石油化工企業職業安全衛生設計規范

GBJ16 建筑設計防火規范

GB50160石油化工企業設計防火規范

GB50058爆炸和危險性環境電力裝置設計規范

④一定的工作經驗

1.2 化工建設項目階段

1.2.1 建設項目階段的劃分以工程公司為主體，通常分為三個階段

項目前期：項目建議書 → 批準后即為立項

可行性研究報告 → 批準后即可展開工程設計

工程設計：按國內審批要求分為：初步設計 → 批準后建設單位即可開工。

施工圖設計

按國際常規做法分為：基礎設計、詳細設計

施工、安裝、試車、性能考核及國家驗收（驗收后工廠投入正常運行）

1.2.2 建設項目階段的劃分以建設單位為主體，通常分為四個階段

項目前期、工程設計、工程建設、工廠投入生產

2. 工藝設計的內容和深度

2.1 工藝設計的文件包括三大內容：

文字說明（工藝說明）、 圖紙、表格

2.1.1 文字說明（工藝說明）

1）工藝設計的范圍。

設計基礎：生產規模、產品方案、原料，催化劑，化學品，公用工程燃料規格、產品及

副產品規格。

2）工藝流程說明：生產方法、化學原理、工藝流程敘述。原料、催化劑、化學品及燃料消耗定額及消耗量。

3）公用工程（包括水、電、汽、脫鹽水、冷凍、工藝空氣、儀表空氣、氮氣）消耗定額及消耗量。

4）三廢排放：包括排放點、排放量、排放組成及建議處理方法

5）裝置定員

6）安全備忘錄（另行成冊）

7）技術風險備忘錄（通常為對內使用，另行成冊）

8）操作指南（通常為對內使用，另行成冊。供工藝系統、配管等專業使用）

2.1.2 圖紙

1）PFD：是PID的設計依據，供基礎設計使用（通常分版次逐版深化）。

包括全部工藝設備、主要物料管道（表示出流向、物料號）、主要控制回路、聯鎖方案、加熱和冷卻介質以及工藝空氣進出位置。

2）建議設備布置圖：是總圖布置、裝置布置的依據，供基礎設計使用（通常為平面布置圖）。根據工藝流程的特點和要求進行布置。

3） PCD：通常是設計院內部設計過程文件、最終體現在終版PFD中（通常由自控專業完成）。

2.1.3 表格

1）物料平衡表：包括物流組成、溫度、壓力、狀態、流量、密度、焓值、粘度等理化常數（熱負荷表示在此表中或PFD圖上）。

2）工藝設備數據表：根據設備形式不同、作用不同以及介質不同可分為容器、塔器、換熱器、工業爐、機泵、攪拌器的等。工藝設備數據表需表示出設備位號、介 質名稱、操作壓力、設計壓力、操作溫度、設計溫度、材質、傳動機構、外形尺寸、特征尺寸及特殊要求。（各設計院均有各種規定的表格）。

3）工藝設備表

4）取樣點匯總表?

5）裝置界區條件表：通常由工藝系統專業來完善并最終發表（包括原材料、公用工程、產品、副產品、進出界區條件等）。

2.2 補充說明：化工工藝專業尚需參加前期工作，主要前期工作有：

項目建議書；可行性報告編制工作。

項目報價書；投標書、技術文件編制工作。

引進項目：包括詢價書、投標書的評標、合同技術附件談判。

大中型聯合裝置總體規劃設計。

3. 工藝設計方法（化工基本理論的應用）

3.1 工藝路線的選擇

原料來源

經濟效益和社會效益（生產成本）

環境保護

其它，如操作條件、安全、消防、投資、工藝先進性，可行性，合理性。

3.2 工藝流程方案優化

①“洋蔥頭”模型（由史密斯、林霍夫提供的模型）

從圖中可以看出設計的核心是反應系統的設計和開發。“洋蔥頭”模型強調過程開發和設計的有序和分層性質。

② 反應流程優化

反應流程優化需要考慮的問題較多，問題復雜。如反應動力學、反應收率、催化劑特性、反應歷程、反應途徑。

反應器的最優操作條件有如何保證反應溫度、反應壓力、混合要求、換熱要求、各物料配比、給定條件下的生產成本等等。

③ 精餾流程的優化

精餾流程如需要分離R個組份，就需要有R-1個精餾塔。

精餾優化需要考慮：那種組份為主產品，那種組份為付產品。

產品的規格要求。

精餾流程的優化法1）：試探法，主要規則如下：

優先使用普通精餾。

盡量避免減壓操作和使用冷量。

產品數應最少。

腐蝕性、危險性的組份應優先分出。

難分離的組分最后分出。

最大量組份應優先分出。

塔頂、塔釜產物最好等摩爾分離。

精餾流程的優化法2）：調優法

精餾流程的優化法3）：數學規劃法

④ 蒸發流程的優化

1）單效、雙效、三效蒸發。

2）熱泵蒸發、膜式蒸發。

3）多級閃蒸。

4）強制循環蒸發、自然循環蒸發、。

結合蒸發器的類型（標準、懸框、列文、強制循環蒸發器）進行選擇。

3.3 工藝設備的選擇

①反應器：

連續 1）均相 1）活塞流 （管式）

2）半連續 2）非均相 2）全混釜 （攪拌釜）

3）間歇

以上反應器的選擇要根據物料性質、穩定性、反應復雜性、產品規模、反應時間、溫度、壓力等因素綜合考慮。

不同類型的反應器在工業生產中的應用情況見P-547。

氣液相反應器及固相反應器的使用情況見P-548。

固體催化反應器的使用情況見表7.4.3-3(P-548)。

②氣液傳質設備：

1） 板式塔：泡罩、浮閥、篩板等。板式塔塔板流體流向分布類型可分為U形流，單溢流，雙溢流等

2） 填料塔：a拉西環、鮑爾環、矩鞍環等填料。

b散堆、規整填料。

c實體填料、絲網填料。

以上傳質設備的選擇要根據分離難易程度、壓降大小、真空（熱敏性物料）、物料性質、投資情況、腐蝕情況、物料清潔情況、安全要求、彈性大小、發泡等情況選擇。(見P-549)

③ 傳熱設備：

按功能分：冷卻器、冷凝器、加熱器、換熱器、再沸器、蒸汽發生器、過熱器、廢熱鍋爐等。

按結構型式分：采用二物流換熱的換熱器從結構上分有以下5種型式：

A.管殼式（固定管板式、浮頭式、填料函式、U型管式）

B.板式（板翅式、螺旋板式、傘板式、波紋板式）

C.管式（空冷器、套管式、噴淋管式、箱管式）

D.液膜式（升降膜式、刮板薄膜式、離心薄膜式）

E.其它型式（板殼式、熱管式）

以上型式換熱器的選擇依據是：

A.固定管板式換熱器

固定管板式換熱器即兩端管板和殼體連接成一體，由于殼程不易檢修和清洗，因此選用固定管板式換熱器時，殼方流體應是較清潔且不易結垢的物料；兩流體溫差較大（大于60℃）時應考慮熱補償，兩流體溫差不易大于120℃。

B.浮頭式換熱器

該換熱器殼程易清洗，但內墊片易滲漏，適用于需要補償熱膨脹的換熱器，兩流體溫差大于120℃。

C.U型管式換熱器

該換熱器制造、安裝方便，造價較低，管程耐高壓，但結構不緊湊。適用于高溫和高壓的場合，且管內流體必須潔凈。

D.板式換熱器

板翅式：緊湊、效率高、可多股物料同時換熱。使用溫度不大于150℃。

螺旋板式：可用于帶顆粒物料，物位利用好。不易檢修。

傘板式：制造簡單、緊湊、易清洗，使用溫度不大于150℃，使用壓力不大于0.12MPa。

波紋板式：緊湊、效率高、易清洗，使用溫度不大于150℃，使用壓力不大于0.15MPa。

E.空冷器的選擇依據

a.空氣入口溫度（即設計溫度）低于38℃。

b.熱流體的出口溫度高于50～65℃，并允許有一定的波動范圍（3～5℃）。

c.對數平均溫差大于40℃。

d.流體接近溫度（即熱流體的出口溫度與冷流體入口溫度之差）至少大于15℃。

e.管內給熱系數小于2325.6W/(m2.K)。

f.冷卻水的污垢系數大于0.0002(m2.K)/W。

g.水源較遠，取水費用大。

h.熱流體的凝固點較低(小于0℃)。

⑤化工用泵：

根據物料性質、物料的腐蝕性、易燃易爆、有毒、高溫、高壓、低溫、粘度大小、揮發性、固體顆粒等因素綜合考慮，此外還要考慮泵的安全性、可靠性和密封等要求。

⑥容器（儲罐）：

根據物料性質、物料的腐蝕性、易燃易爆、有毒、高溫、高壓、低溫、粘度大小、揮發性、固體顆粒等因素綜合考慮。

壓力容器分類見表7.4.5-5（P-557）。

4. 工藝設計工作程序

5. 設備設計壓力和設計溫度的確定

5.1 壓力：

正常操作（工作）壓力、最高工作壓力、設計壓力的選取

溫度：正常操作溫度、最高操作溫度、設計溫度的選取

6. 過程控制方案的確定

6.1過程控制方案確定的原則

保證裝置運行的平穩、生產安全、控制簡單適用。

用單回路簡單控制系統可以解決的，決不要用復雜的控制系統。

6.2過程控制的分類

壓力、溫度、流量、物位、化學成分和物性數據

6.3選用控制儀表的要求

準確可靠、靈敏度高、反應迅速、滯后小、使用維護方便、價格便宜

6.4典型化工單元的控制方案

6.4.1反應

①反應控制的要求

達到規定的轉化率、產品濃度。

處理量平穩。

當出現不正常工況時，能報警、聯鎖或自動選擇性調節系統。

②反應控制方案

以反應轉化率為控制變量 見圖7.7.3-1（P-564）。

以反應工藝狀態變量為控制對象 見圖7.7.3-2（P-565）。

6.4.2精餾

精餾是常見的液液分離方法，精餾控制主要目的是達到規定的分離要求。主要變量有進料量、組成、溫度、操作壓力、冷卻和加熱介質、壓力及溫度的變換。精餾控制可分為：

按精餾段指標的控制方案

按提餾段指標的控制方案

塔頂壓力控制方案

真空度控制方案

其它控制方案

6.4.3傳熱設備

控制載體的流量、控制傳熱面積、控制載體的氣化溫度、工藝介質旁路控制

6.4.4流體輸送設備

離心泵控制方案

改變轉速的控制方案

往復泵(位移式旋轉泵)的控制方案

7. 能耗計算

目前人類面臨的共同任務是保護資源、減少環境污染、維護生態平衡、實現可持續發展。化工生產中傳熱過程是經常的發生的事，因此合理使用能源，節約能源消耗是每個化工工藝設計人員應盡的職責。

過程能量分析的常用方法有：夾點分析法和三環節能量分析法

7.1夾點分析法

將需要優化的換熱網絡用冷、熱流復合線表示在溫焓圖（T-*****）上，熱流復合線位于冷流上方，冷、熱流體的復合線中間垂直距離最短處稱為夾點，其溫差△Tmin稱為夾點溫差。

夾點分析法應遵循三個原則：

盡量避免有熱流體通過夾點

夾點上方避免引入公用設施冷卻物流?

夾點下方避免引入公用設施加熱物流

7.2三環節能量分析法

重點研究熱能在化工裝置的利用，從下述三個環節出發：

能量轉換、能量利用、能量回收

夾點分析法和三環節能量分析法實際應用可參考有關文獻資料。

8. 與工藝設計相關的基本知識

與工藝設計相關的基本知識包括消防、勞動安全衛生、環境保護三個方面，必須遵守國家相關的標準、法規。

8.1消防

8.2安全

8.3環保

廢氣、廢水（廢液）、廢固、噪音、放射性、排放總量控制

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